Co je superfluid?
Superfluid je fáze hmoty, která může nekonečně proudit bez ztráty energie. Tuto vlastnost určitých izotopů objevili Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen a Don Misener v roce 1937. Bylo dosaženo při velmi nízkých teplotách s alespoň dvěma izotopy hélia, jedním izotopem rubidia a jedním izotopem lithia.
Superfluidy mohou být pouze kapaliny a plyny. Například bod mrznutí hélia je 1 K (Kelvin) a 25 atmosfér tlaku, nejnižší ze všech prvků, ale látka začíná vykazovat superfluidní vlastnosti při asi 2 K. K fázovému přechodu dochází, když začnou všechny atomy složky vzorku zaujímají stejný kvantový stav. K tomu dochází, když jsou atomy umístěny velmi těsně vedle sebe a ochlazovány natolik, že se jejich funkce kvantové vlny začnou překrývat a atomy ztrácejí svou individuální identitu, chovají se spíše jako jediný superatom než aglomerace atomů.
Omezujícím faktorem, na kterém mohou materiály vykazovat superfluiditu a který nemůže, je to, že materiál musí být velmi velmi studený (méně než 4 K) a zůstat při této studené teplotě tekutý. Materiály, které ztuhnou při nízkých teplotách, nemohou tuto fázi převzít. Když se ochladí na velmi nízké teploty, vytvoří se superfluidem připravená sada bosonů, atomů se sudým počtem nukleonů, na Bose-Einsteinův kondenzát, superfluidní fázi hmoty. Když jsou fermiony, atomy s lichým počtem nukleonů, jako je izotop helia-3, ochlazeny na několik Kelvinů, nestačí to způsobit tento přechod.
Protože pouze bosony se mohou snadno stát kondenzátem Bose-Einstein, musí se fermiony nejprve spojit, aby se staly superfluidem. Tento proces je podobný Cooperovu párování elektronů, ke kterému dochází v supravodičích. Když se dva atomy s lichým počtem nukleonů spárují jeden s druhým, mají společně sudý počet nukleonů a začnou se chovat jako bosony, které se kondenzují do superfluidního stavu. Tomu se říká kondenzát fermionu a objevuje se pouze na úrovni teploty mK (milliKelvin) než na několika Kelvinech. Klíčový rozdíl mezi párováním atomů v superfluidech a párováním elektronů v supravodiči je, že atomové párování je zprostředkováno spíše kvantovými fluktuacemi spinů než výměnou fononů (vibrační energie).
Superfluidy mají některé působivé a jedinečné vlastnosti, které je odlišují od jiných forem hmoty. Protože nemají vnitřní viskozitu, vír vytvořený uvnitř jednoho přetrvává navždy. Superfluid má nulovou termodynamickou entropii a nekonečnou tepelnou vodivost, což znamená, že nemůže existovat žádný teplotní rozdíl mezi dvěma superfluidy nebo dvěma částmi téže. Mohou také vylézt nahoru a ven z nádoby ve vrstvě silné o jeden atom, pokud není nádoba uzavřená. Konvenční molekula zabudovaná do superfluidu se může pohybovat s plnou rotační svobodou a chovat se jako plyn. V budoucnu mohou být objeveny další zajímavé vlastnosti.
Většina tzv. Superfluidů není čistá, ale ve skutečnosti jde o směs tekuté složky a superfluidní složky. Potenciální aplikace superfluidů nejsou tak vzrušující a širokospektrální jako aplikace supravodičů, ale ředicí chladničky a spektroskopie jsou dvě oblasti, ve kterých našli uplatnění. Snad nejzajímavější aplikací je dnes čistě vzdělávací, která ukazuje, jak se kvantové efekty mohou stát makroskopicky v měřítku za určitých extrémních podmínek.